超声多普勒流速仪的研制(上).docx

1、超声多普勒流速仪的研制（上）南京水利水文自动化研究所邓昌闾0.80.60.2一、对超声多普勒流速讯号的正确估算是仪器研制的基础与设计依据应用知声技术与多勒原理来测童沆速的方式，对多卡勒回波讯号的认识与估算,涉及仪馨主Oft的确定与所采取的技术路线的正确与香，是研制仪家的基础与设计依据.（一）,回波讯号的特征：应用翅声多普勒效应来测量流速，多普勒讯号的传递主旻是冠过流体中曷浮微粒对赶声汶的做射作用来实现的.因为蕙*波发射声束与接收声束不是理想的一条线而是一波束或波柱.因北两者的夹汇区是一个几何空间，在此空间的散射微粒是众多的微检集合，处于空间内不同坐标点的微柱，其散射子波的传揖方向.知率，相位存

2、在差异，因而羊一做射微粒的做射子波的模式不能代表微粒集合的做射情况.单个微粒的做射子波所具有的散射能童是微乎其微的.一般不足以触发接收森而形成与做射子波相应的讯号频谱或能it谱,根据波动学的原理和知声多普勒测速的具体情况，我们在对翅声波多普勒法测流何题的研究一文中，分析上述几何体内的散射子波的频率与相位关系，则可得到所有散射波源的行波质加的堵果.将形成一种,波包或称得波,这种,波包,或,群次、是各个子波共同贡献的结果，比单个做射子波具痛的做射能童大得多.因而能停盆发接收蓦形成我们番蔓的讯号.根据此一做射子波的做射图形的分析.回波讯号并非单一频率的正弦波，而是一种混晌讯号.此种讯号的特征与仪暑姑

3、构和沆杰相关.并从对测童歉据可能形成误差的误差深考虑，定性地分析了流速梯度，换佬群指向角及换佬器结构等的影响.PSGreen与海洋局笫三研究所张民强有级工程师等,通过实践.在各自的论文中，从讯号的叙it特性角度.论涉了体积混响对多普勒庵流计回波讯号的it晨机制.主旻有四种因素（2）:1流速梯度与湍流对讯号的调顼与WM：根据多普勒效应的摊本原理，不同流速与流向的各个小区将产生各种须率与相债的叠加，形成对中心频率讯号的*顼与调幅作用，其调钥情况与流存相关：2. 胆子布朗运动的影响.3. 换能耳在随机非均匀介质中运动产生的回波信号的调帽与调相，在海流计中其调谱展霓为：Af<2V/p调相谱展为8

4、.<2.7V/p其中。为般子速度.P为混响体租的特征线度.4. 换能驿开角所引起的谱展与Kr值和换他毒相对于流速的夹角有关.其关系曲线如图1、©2所示，其中K为波数，r为换能春半径，S1换能有限波束宽度的功率谐密度.海流计对溢流向（a-。）.0.020.0!0350.010.02ffi2换能命有限波束赏度产生的功率谱密度（按a作图）根据我们研制的换假蓦的实际数.其中p=>66Cm.K，=86,则可计算出由于换能弟在随机非均匀介质中运动所产生的调幅谖展为Af<2V/6.6cm,B.v27V/6.6cm；根据图1、S2.由换能咪开角所引起的半功率谱霓约为AVf=6HZ左

5、右.其中也。为多普勒讯号数.在流速为5m/s时,A，r32KHZ左右.在明案用的超,多普勒流速仪中,这四种叛散机制也是存在的,另外一般明渠水层较浅.在季近界面.由于仪毒的抖动与液浪所产生的界面反射对旧波讯号的调制作用也是不可忽视的直要的因素.由此可知.回波讯号是一种很麦杂的混响讯号.讯号谱展的结果会使讯号交得模糊与不林定.彩槽流速的检河精度，严重时使仪落完全不能工作.为了獐少谱展所产生的测量谡差,根据明果测流的具体情况及分析讯号谱展的原因.则可分别在传感器的设计，线路的选铎、讯号的处理.测试点的选择,仪毒的使用等方面，采取一定的技术措蒐予以解决.(二) 回波讯号的电平估算：1. 超，多普勒流速

6、仪在穿座用中存在下列四种声程损耗：即几何扩展损耗、介质阪收损耗、散射损耗与体和混响损耗.(1) 几何扩展损耗TL七°2'2此土其中L为换能库至混喧区的距高，L=13cm.D/ZL和D为换能星片直径,叩为换能界的指向角.0=0.8cm.<p2.6"得：TL=-10db(2) 介质及收报耗TL»TL2-2L<r1wK为粘滞库痍衰减系数：当工作频率为6MHZ时a$a0.11db/cm.TL2=2.8db(3) 数射损耗TL3,由于水中悬浮题祖的微射作用造成,能的做射损耗，对不同水质交幅很大.倩况也较复杂,但是根据RJUrick等分别用石松子(直径为3

7、0必，高岭土(林径为0.25必，砂等悬浊液所做的秋收系数与浓度的关系曲线试检和体秋液度为1%时的吸收系数与彼径的关系曲线试股来看其衰被系数都不超过1db/cm(痹考图3).我们电散射衰减系敷<r21db/cm,则TL3«2L«2*-26db(4)体租混响损耗TJ:由瑞利散射定体估算反向散射系数,单个散射体反向做射系数J近似为a,=夸(k*1)(Ka)4a为散射颗粒半径，K为波数，K=209/cma=3x10-4cm则Ka=6.27x102«1K-L=27OO»1满足瑞科散射条件要求.考虑体租浓度为0.26%的散射微检时，含沙景约为6KG/m3,每I

8、Cm，体荻中，合a-3*W4Cm的微检数绚为n«>108数量裁.又考虑混响体根约为2.2Cm$.所以混璃体租损耗为TL4-lOlg2.2x1Oaxa<s»27db声程传播总损耗：TLTLTLi+TLg+TU=-658db2. 讯号电平估算：由发射器发射的电讯号剧接收容接收到的电讯号、除声程演耗外，还存在电、,转换与,、电转换报耗.(PZT6的机电藉合系数为KP=0.59),考虑传感葬其他的咀尼损耗,两次转换效率均以0.2甘算；传婚界与电路之同的区配不可能充全理想，其精合效率以0.6计算.两项报耗相加共37db左右.发射器发射电功率为1瓦时.则接收器接收到的电功率

9、为PR=1X10一'°28瓦.设输入负裁为60,则得接收讯号电平为Ur=/50x10"WM»5.1x10-J伏=5】微伏以上计算，是报据仅库参数(不同仪器分数不-样)及较浑浊水质中的计算结果.由瑙槽散射定体可以看出：阜个散射体反向数射系数a,与散射他径的六次方成正比.在上述同等情况下.如果担径a=l0-3Cm.TL4«-10db,It径为a-104Cm时.则TL伊一40db,由此可见：不同的粒径与不同的浓度对混响损耗产生极大的影响，同样的对散射损耗丁也产生极大的变化.实际情况财比这种计算麦杂得多，因此我们不19可能准确地计算各种复杂情况下的讯号电

10、平.粗略估算的目的在于了解讯号电平的变化范围.作为仅卷设计的依据，而更重要的是以实际试验为准.在极清激的水中.徽射讯号非常徵房，据黄料提供数据其讯号电平约为35“V范图,最大讯号电平与株小讯号电平可招是34个数量级.我们在校正水槽试验结果，讯号电平约为5“V左右,在较厚浊的水中，则可达效毫伏,与计算结果基本相符（三）、主要技术条件与技术措施：通姓对回波讯号特征的分析与讯号电平的估算.确定仪辟各部分的主要技术条件及有关技术措施.1. 传感器部分；传虑器包括发射换能器与接收换能卷两部分.根据回波讯号椅征的分析与讯号电平的估算，回波讯号恃性的优劣,主要决定于传感器的结构.传患器应该具备下列技术性能：

11、良好的电声转换效率.以提高仪释的灵度；不破坏测试点的流态,以保证仪器的泌量精度；较强的抗千扰能力，以保证仪器的辑定性佬；良好的讯号谱特性，以减少无用杂波的调制作用.传感器的性能涉及感应材料的选择.结构的形式、粘站工艺等，我们先后试制试救过多种形式结构的传感器，果后确定以徵型传感器彖为理想.主要技术参数如下：工作频率：5MHz迎水面外径；©10mm指向角：2.6。特征线度：6.6cm混响体积：22cms由于传感器很小.而且具有防腐蚀性能.因此佬适用各种流场（水深不小于3cm）和不同水质的测量的需要.2. 发射蓦部分：发射春的主要旻求是穗定的工作频率.为此采用电容三点式晶振电爵，工作貌率

12、为5MHz±O.5%0；适当的发射功率.约为1.5瓦左右；稔定的发射波形,因为发射波形的不稔定都将使接收讯号相应改变而被当作多普勘讯号接收.造成读数误差.3. 接收器部分：根据讯号电乎的估算,讯号电平庚幅很大,仪器应该能够适用各种介质的不同讯号电平的要求，致小回波讯号为微伏级，因此接收器的最大灵敏度在3网左右、整机量大增登为130db左右.由于接收部分灵敏度较高，保证仪暴的秘定性能则是首要的任务.通it试殴.造成不稳定的干扰讯号主要来自下述几个方面：工业干扰；害生掘迓；工作电压波动等.针对上述干扰问题及讯号特征分析，采取的主蔓嫁合措施如下：采用工作性能稔定的共发共基电路；采取卑带讯号

13、跟踪;应用限幅调频方式提取讯号应用低噪声元器件；应用射偶双建回是提高讯案比；增加讯号处理的判错功能；其他的抗干扰措施如屏敲等.二、仪器功能与电、声参数关系评价一部流速仪的性能.一般包括下述内容：适用流速范围.起转流速值、精度、水力螺距（K值）或讯号数.抗沙与抗，.洋物能力，抗腐蚀性能、几何尺寸、适浏水深以及连续工作时间、保养鲤修等，因为超声多普勒流速仪采用完全不同的工作原理与讯号传感方法.其牲能指标主要不是决定于机械性能.而是决定于仪葬的电、声参数.（-）.水质-讯号电平-通频带宽度-流速通带范图：由讯号电平估算一节可知，回波讯号的大小与混响体内的散射微粒数及数径大小有关,这种散射粒包括微6泡

14、、团体微粒、浮游微生物等，忌之包括除水以外的三态微粒,根据实践经验,一般流动水又比长期静态水讯号较强.因此回波讯号电平不仅与水质而且与永态相关.-个接收放大寿的通带宽度与输入讯号电平相关.一般说，讯号越大.可通过的频率范围越宽.仪容应用的多普勒原理正是根据多普勒讯号量与流速或正比的关系,仪器通过多普勒讯号的能力（通带宽度）则决定了流速通带范围：因此就有水质-讯号电平一通带宽度一流速通带范围的相互关系.根据我们分痢在流速仪检定水槽、动水槽、模型、野外试验及室内测试数据.其关系如表1所示.这里雳要强调的是仪器的通帝宽度是可以调节的,因此适测流速范囿也可根将需要进行调整.由于水质情况很复杂，仪器遍带

15、范围也可调整，因此所列数据仅供参考.表，水质、讯号电平、施速通带范围（二）、灵敏度.分辨率与多普勒讯号数水质费况讯号电平SV）流速通带范图（m/s）各注着爆清洁水20.0B-130.01-8如检定水槽50.01-7动太清洁永自来水100-10低库浊度水湾洁丑河水20。12长it水较大合计量水质30。15600-20以上100为了便于比较.这里所指灵敏度系指仪器能珅应的皴低流速值；分拂率系指仪器输出一个讯与所代表的流程,分别相应于机械式流速仪的起动流速与K值.这是表征仪器性能的两个重要指标.转于式流逑仪套整两百年的发屡史，其重要的一个方面就是为降低起动流速以扩大测试范围,降低K值戒增加讯号数.以

16、提高仪器测量精度的过程.蕙声多苏勒流速仪，不存在机披转子.没有机械惯性与转动摩擦,因此没有起动流速的问题,而且不需具C值校正.分辨率或者讯号败（单位流程的讯号量）是提高泌量精度和作业效率的先决条件.多普勒讯号量由测速公式决定：。一一cff<C0S（+COSj）°其中：C水中声速.f一工作频率，%.。2一向与发射声轴和接受声轴的夹角.九一多普勒讯号欺.在我们仪器中.每1m/s流速约为6400个讯号,即分捎率可以达到0.0156Cm,但是为了使败据处理部分筒单一些,显示流速的分辨率为1Cm.由表2可知,超声多誓勒仪蓦较机械式仪馨分辨率提高了一个数,级以上.同时由于它对流速响应实时,

17、因此可以实现快速测童、整时流速与时灼流速测童及流速过程线等.表2灵敏度（或起动流速）、分凋率（或K值）比较（三）、抗眼浮能力与抗调制性能仅尊灵堕型号短动流速（m/s）分薛卓成Ktt（m）波杯式LS680.20.88LS88-10.020.B8WATTS英国0.070.701Price-A<®0030.863LS25-10.06（1号架）0.250.2（2号浆）0.80LS2&-1A0.060.26LS25-30.050.25LS100.10.1LS1206B0.070.12Ott.C-31BH0.030.254超,多普彰式LSW-100.01一般地说.明渠湄流、农业排灌

18、、工业排水等，都程度不同地伴随着不同H岸物，因此仪暴抗氏淳物能力是仪器重要性能之一.舰声多誓勒流速仪抗次淳能力主畏是两个方面：-是因为不存在转动部分.飘洋物的缓绕不会使仪器停止工作以至损坏仪器，二是规声波是一种机械弟性波.对一/物质都有一定的渗透能力.因此当一律物缓绕仅厚，芯至符发射图d或接收身n欢住时.其中一部分超声波能量仍然可展射it去,仪器仍妣可以嫌埃正常工作，当账比较厚的职拍物除外.另一种倩况是当胴淳。通过传感器菌面的混响区时一部分能量被耳浮物反射后为接收器所按收，由于眼岸物的运动速度与水流速度不一样，这部分反射能董对回波讯号进行调制.调例深度说反射波的僵岗而定.因此仪器本身对讯号的抗

19、调制性能在一定螯度上代表仪器的抗，浮能力.由于体积混响区的体秋很小，耳淳4逋过的时间概率也是相对很小的,遍过微机的判错功事，可使抗胴岸物能力进一步提高.（四）、压电簿僚传感器的应用待长传感卷主要感应件是压电尚斐片,由防腐蚀性材料完全宙甘，逋过声能的福射实现非接触式的流逑测量.它的应用特长主要是：1. 微型.其迎水面的面积为2x1cm能适应水X>3cm的流场测量.2. 由于不存在机械摩损,不存在进沙的何息，具有抗脚蚀性能，因此能适在长期连嫔测量的戛求.3. 使用维修方便.不雷要特殊的保桃、维修及检定.（五）、微机的应用.使,流技术出现斩新的面貌埠合以上所述,起声多普勒流速仪的主要将点可以归纳为：具有很霓的流速通带范屈，而且不存在流速仪所特有的K值与C值，为蒙据处理提供极大方便；极高的分辨率和对流速的实时聃应.不仅为快速准确测量提供可能，而且能测定哺时流速和流速脉功情况，为研究永流运行规倬提供测试手段